Неорганическая химия – часть общей химии. Она занимается изучением свойств и поведения неорганических соединений – их структуры и способности реагировать с другими веществами. Данное направление исследует все вещества, за исключением тех, которые построены из углеродных цепочек (последние являются предметом изучения органической химии).
Описание
Химия – это комплексная наука. Ее деление на категории чисто условно. Например, неорганическую и органическую химию связывают соединения, называемые бионеорганическими. К ним относятся гемоглобин, хлорофилл, витамин B12 и многие ферменты.
Очень часто при изучении веществ или процессов приходится учитывать различные взаимосвязи с прочими науками. Общая и неорганическая химия охватывает простые и сложные вещества, число которых приближается к 400 000. Изучение их свойств часто включает в себя широкий спектр методов физической химии, поскольку они могут сочетать свойства, характерные для такой науки, как физика. На качества веществ влияют проводимость, магнитная и оптическая активность, воздействие катализаторов и прочие «физические» факторы.
Как правило, неорганические соединения классифицируются в соответствии с их функцией:
- кислоты;
- основания;
- оксиды;
- соли.
Оксиды часто делятся на металлы (основные оксиды или основные ангидриды) и неметаллические оксиды (кислотные оксиды или ангидриды кислот).
Зарождение
История неорганической химии делится на несколько периодов. На первоначальном этапе происходило накопление знаний посредством случайных наблюдений. С древних времен предпринимались попытки трансформировать неблагородные металлы в драгоценные. Алхимическая идея пропагандировалась еще Аристотелем через его учение об конвертируемости элементов.
В первой половине пятнадцатого века свирепствовали эпидемии. Особенно население страдало от оспы и чумы. Эскулапы предполагали, что заболевания вызваны определенными веществами, и борьба с ними должна осуществляться с помощью других веществ. Это привело к началу так называемого медико-химического периода. В то время химия стала самостоятельной наукой.
Становление новой науки
Во время Возрождения химия из чисто практической области исследования стала «обрастать» теоретическими понятиями. Ученые пытались объяснить глубинные процессы, происходящие с веществами. В 1661 году Роберт Бойл вводит понятие «химический элемент». В 1675 году Николас Леммер отделяет химические элементы минералов от растений и животных, тем самым обусловив изучение химией неорганических соединений отдельно от органических.
Позже химики пытались объяснить явление горения. Немецкий ученый Георг Сталь создал теорию флогистонов, согласно которой сгораемое тело отторгает негравитационную частицу флогистона. В 1756 году Михаил Ломоносов экспериментально доказал, что горение некоторых металлов связано с частицами воздуха (кислорода). Антуан Лавуазье также опроверг теорию флогистонов, став родоначальником современной теории горения. Им же введено понятие «соединение химических элементов».
Развитие
Следующий период начинается с работ Джона Далтона и попыток объяснить химические законы посредством взаимодействия веществ на атомарном (микроскопическом) уровне. Первый химический конгресс в Карлсруэ в 1860 году дал определения понятий атома, валентности, эквивалента и молекулы. Благодаря открытию периодического закона и созданию периодической системы Дмитрий Менделеев доказал, что атомно-молекулярная теория связана не только с химическими законами, но и с физическими свойствами элементов.
Следующий этап в развитии неорганической химии связан с обнаружением радиоактивного распада в 1876 году и выяснением конструкции атома в 1913-м. Исследование Альбрехта Кесселя и Гильберта Льюиса в 1916 году решает проблему природы химических связей. Основываясь на теории гетерогенного равновесия Уилларда Гиббса и Хенрика Росзеба, Николай Курнаков в 1913 году создал один из основных методов современной неорганической химии – физико-химический анализ.
Основы неорганической химии
Неорганические соединения в природе встречаются в виде минералов. Почва может содержать сульфид железа, такой как пирит, или сульфат кальция в виде гипса. Неорганические соединения также встречаются как биомолекулы. Они синтезируются для использования в качестве катализаторов или реагентов. Первым важным искусственным неорганическим соединением является нитрат аммония, используемый для удобрения почвы.
Соли
Многие неорганические соединения представляют собой ионные соединения, состоящие из катионов и анионов. Это так называемые соли, являющиеся объектом исследований неорганической химии. Примерами ионных соединений являются:
- Хлорид магния (MgCl2), в состав которого входят катионы Mg2+ и анионы Cl-.
- Оксид натрия (Na2O), который состоит из катионов Na+ и анионов O2-.
В каждой соли пропорции ионов таковы, что электрические заряды равновесны, то есть соединение в целом является электрически нейтральным. Ионы описываются степенью окисления и легкостью образования, которая следует из потенциала ионизации (катионы) или электронного сродства (анионы) элементов, из которых они образуются.
К неорганическим солям относятся оксиды, карбонаты, сульфаты и галогениды. Многие соединения характеризуются высокой температурой плавления. Неорганические соли обычно представляют собой твердые кристаллические образования. Другой важной особенностью является их растворимость в воде и легкость кристаллизации. Некоторые соли (например, NaCl) хорошо растворимы в воде, в то время как другие (например, SiO2) почти не растворяются.
Металлы и сплавы
Металлы, такие как железо, медь, бронза, латунь, алюминий, представляют собой группу химических элементов в нижней левой части периодической таблицы. К этой группе относятся 96 элементов, которые характеризуются высокой теплопроводностью и электропроводностью. Они широко используются в металлургии. Металлы могут быть условно разделены на черные и цветные, тяжелые и легкие. Кстати, наиболее используемым элементом является железо, оно занимает 95 % мирового производства среди всех видов металлов.
Сплавы представляют собой сложные вещества, получаемые путем плавления и смешивания двух или более металлов в жидком состоянии. Они состоят из основания (доминирующих элементов в процентном соотношении: железа, меди, алюминия и т. д.) с небольшими добавками легирующих и модифицирующих компонентов.
Человечеством применяется около 5000 типов сплавов. Они являются основными материалами в строительстве и промышленности. Кстати, существуют также сплавы между металлами и неметаллами.
Классификация
В таблице неорганической химии металлы распределены по нескольким группам:
- 6 элементов находятся в щелочной группе (литий, калий, рубидий, натрий, франций, цезий);
- 4 – в щелочноземельной (радий, барий, стронций, кальций);
- 40 – в переходной (титан, золото, вольфрам, медь, марганец, скандий, железо и др.);
- 15 – лантаноиды (лантан, церий, эрбий и др.);
- 15 – актиноиды (уран, актиний, торий, фермий и др.);
- 7 – полуметаллы (мышьяк, бор, сурьма, германий и др.);
- 7 – легкие металлы (алюминий, олово, висмут, свинец и др.).
Неметаллы
Неметаллы могут быть как химическими элементами, так и химическими соединениями. В свободном состоянии они образуют простые вещества с неметаллическими свойствами. В неорганической химии различают 22 элемента. Это водород, бор, углерод, азот, кислород, фтор, кремний, фосфор, сера, хлор, мышьяк, селен и др.
Наиболее типичными неметаллами являются галогены. В реакции с металлами они образуют соединения, связь которых в основном ионная, например KCl или CaO. При взаимодействии друг с другом неметаллы могут образовывать ковалентно-связанные соединения (Cl3N, ClF, CS2 и т. д.).
Основания и кислоты
Основания – сложные вещества, наиболее важными из которых являются водорастворимые гидроксиды. При растворении они диссоциируют с катионами металлов и анионами гидроксидов, а их рН больше 7. Основания можно рассматривать как химически противоположные кислотам, потому что водо-диссоциирующие кислоты увеличивают концентрацию ионов водорода (H3O+), пока основание не уменьшится.
Кислоты – это вещества, которые участвуют в химических реакциях с основаниями, забирая у них электроны. Большинство кислот, имеющих практическое значение, являются водорастворимыми. При растворении они диссоциируют из катионов водорода (Н+) и кислых анионов, а их рН меньше 7.
